泰興減速機(jī)2018年5月27日訊：齒輪傳遞扭矩首先從軸傳至輪轂，由輪轂傳遞到輪齒，再由主動(dòng)輪輪齒傳遞到被動(dòng)輪輪轂和軸系。在傳遞過程中，由于受到軸向激勵(lì)力的作用，齒輪輪轂產(chǎn)生軸向振動(dòng)。另外，由于嚙合力的作用，輪轂也會產(chǎn)生橫向和沿周向的振動(dòng)。

齒輪系統(tǒng)通過軸系安置于軸承及其軸承座上，由于齒輪本體的軸向和周向振動(dòng)必引起軸承支承系統(tǒng)的振動(dòng)，相反，外界干擾力(如螺旋槳的軸承力)也可能通過軸承傳遞給齒輪系統(tǒng)。

齒輪的振動(dòng)由軸系傳到齒輪箱，激勵(lì)箱體振動(dòng)，從而輻射出噪聲。另外，齒輪在箱內(nèi)振動(dòng)的輻射聲激勵(lì)箱體，使箱體形成二次輻射噪聲，這類噪聲大部在中低頻范圍內(nèi)。齒輪箱體本身的振動(dòng)也直接產(chǎn)生輻射聲。

在嚙合過程中，輪齒先由一點(diǎn)接觸而擴(kuò)展到線接觸，或一次實(shí)現(xiàn)線接觸，使得接觸力大小、方向改變，產(chǎn)生機(jī)械沖擊振動(dòng)，從而輻射出噪聲。這類噪聲呈現(xiàn)高頻沖擊的形式，其典型的齒輪振動(dòng)時(shí)程曲線示于圖2。

輪齒嚙合時(shí)不斷變化的嚙合力，既激發(fā)齒輪的強(qiáng)烈振動(dòng)，即各個(gè)輪齒的響應(yīng)很大，也激發(fā)了齒輪箱箱體較弱的振動(dòng)。通常認(rèn)為齒輪產(chǎn)生噪聲的主要原因是輪齒之間的相對位移。這類噪聲源產(chǎn)生的噪聲可以用付氏變換法把噪聲表示為穩(wěn)定頻率的分量的集合。

齒輪的輪齒在嚙合時(shí)因傳動(dòng)誤差產(chǎn)生交變力，在交變力作用下產(chǎn)生線性及扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)輻射出噪聲。這是一種主要的噪聲源，接觸力變化越大，則齒輪相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)越大。

另外，齒輪的周節(jié)差產(chǎn)生的由復(fù)雜的或調(diào)制頻率及其倍頻組成的噪聲，含有重復(fù)的基頻(軸頻)，頻率很低。由于周節(jié)差產(chǎn)生了不規(guī)則的脈沖序列。這種脈沖序列包括了眾多的頻率成份，但還不能認(rèn)為是寬帶隨機(jī)噪聲。在眾多頻率成份中，由于脫嚙后輪齒重新嚙合時(shí)的沖擊，所產(chǎn)生的噪聲是明顯的。在一般情況下，嚙合振動(dòng)能夠產(chǎn)生軸頻的任何一個(gè)倍頻上的激勵(lì)，這種激勵(lì)傳遞到齒輪箱引發(fā)箱體共振時(shí)產(chǎn)生明顯的噪聲，尤其當(dāng)箱體的固有頻率較低，而嚙合頻率很高時(shí)，很可能在某倍頻下產(chǎn)生箱體共振。

鍵槽或花鍵槽在嚙合力作用下，使得齒輪和花鍵之間間隙產(chǎn)生無規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生與周節(jié)差引發(fā)的相似的噪聲。

一種齒寬較大的直齒齒輪，在嚙入端吸入過多的滑油，這些滑油滯留于齒根間隙中而無法迅速從端部排出形成“困油現(xiàn)象”。困油現(xiàn)象發(fā)生在兩個(gè)嚙合齒的接觸部位形成的一個(gè)封閉容積內(nèi)。這種封閉容積在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生容積變化。由于滑油是不可壓縮液體(壓縮性極小，體積模量為114×109)，即使很小的容積變化都會使齒輪軸上的附加載荷發(fā)生周期性的劇烈變化，使齒輪激勵(lì)振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。另外，在容積增大時(shí)，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發(fā)出強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，同時(shí)輻射出噪聲。與此同時(shí)，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發(fā)嚙合頻率激勵(lì)而產(chǎn)生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。

如果齒輪傳遞扭矩為船用螺旋槳推力(作用在推力軸承上)與扭矩，則螺旋槳在不均勻流場中產(chǎn)生的非定常軸向力或扭矩通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對齒輪產(chǎn)生不穩(wěn)定的激勵(lì)，此即為軸承力激勵(lì)。由此種激勵(lì)使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)輻射出噪聲，這種噪聲與軸承力的激勵(lì)密切相關(guān)。

另外，由于齒輪輪齒的彈性原因，齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)，后兩對輪齒嚙合時(shí)的齒對數(shù)只有一對齒嚙合的1/2～2/3。因此，當(dāng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對應(yīng)于齒對數(shù)的變化，從動(dòng)齒輪發(fā)生與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速變化相同的振動(dòng)，從而輻射出噪聲，這也是主要噪聲源之一。

齒輪在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)過程中受到重合系數(shù)等許多因素影響，在輪齒上所傳遞的力是隨時(shí)間變化的周期性函數(shù)。由于機(jī)械加工或磨損引起輪齒偏離實(shí)際情況的偏差，如均勻分布的磨損產(chǎn)生嚙合振動(dòng)及其高階嚙合頻率，但不引起邊帶。但非均勻分布的缺陷，在周期性脈沖力作用下產(chǎn)生低階諧波頻率，并由于調(diào)幅或調(diào)頻作用而產(chǎn)生邊帶。節(jié)圓相對于旋轉(zhuǎn)中心存在偏差，產(chǎn)生調(diào)幅。不均勻齒距或轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生調(diào)頻，即引起嚙合頻率的變化。若以表示軸頻，表示嚙合頻率，則實(shí)際頻率(Hz)，其中n，m為任意整數(shù)。n表示嚙合頻率的高階諧波頻率；m表示以軸頻，為調(diào)制頻率的邊帶簇?cái)?shù)。

調(diào)制特性在齒輪振動(dòng)噪聲中廣泛存在。當(dāng)齒輪存在局部缺陷時(shí)，或在輪齒上產(chǎn)生疤痕、蝕坑等缺陷，此時(shí)會在頻譜圖上給出一個(gè)由周期性脈沖激勵(lì)引起的調(diào)幅，出現(xiàn)眾多的低頻邊帶。由故障與缺陷而引起振動(dòng)能量增大，大多數(shù)反映在邊帶分量上。如果缺陷向領(lǐng)近輪齒擴(kuò)展會引起更大的、更密集的以嚙合頻率為中心頻率的邊帶(見圖3)。

調(diào)頻是由某一個(gè)純單頻激勵(lì)對以嚙合頻率為中心頻率的調(diào)制，這將會產(chǎn)生具有等時(shí)距(在頻域上某頻率)的邊帶族。

令齒合激勵(lì)的振動(dòng)信號為，受到軸轉(zhuǎn)頻激勵(lì)信號為和的調(diào)制，若其振動(dòng)形式以簡諧周期形式描述，則

其中：為嚙合振動(dòng)頻率，可作載波頻率；和為調(diào)制頻率，因調(diào)制特性存在振幅調(diào)制與頻率調(diào)制。

振幅調(diào)制

令為調(diào)制因子，它的大小取決于缺陷的狀態(tài)，振幅調(diào)制y(t)為圖3 軸頻對齒輪嚙合頻率的調(diào)制

其中：A為振幅矢量；為調(diào)制頻率；為載波頻率；為初相位。

上述的調(diào)制作用可以表示為對原嚙合頻率分量，疊加上兩對振幅和，其頻率相應(yīng)為和。它是由于調(diào)制作用而多出的頻率分量，相當(dāng)于以嚙合頻率ΞNC為頻率的量，被稱之為“邊帶簇”。

經(jīng)振幅調(diào)制后，調(diào)制后的信號總能量增加了與之和，從而是可以反應(yīng)出齒輪缺陷的狀態(tài)特性。

頻率調(diào)制

令調(diào)制信號中的頻率偏差為則信號的頻率調(diào)制y(t)為

上式表示了信號的頻率調(diào)制，調(diào)制波的大小從未調(diào)制的一個(gè)單位下降為

，并產(chǎn)生了無窮多個(gè)邊帶，邊帶頻率與嚙合頻率

之間的間隔是調(diào)制頻率的整數(shù)倍。邊帶能量與正比。因全部嚙合振動(dòng)的能量正好等于載波嚙合頻率的分量與邊帶能量之和，與未調(diào)制時(shí)的總能量是相同的，邊帶的產(chǎn)生使嚙合振動(dòng)的能量有一部分分散到邊帶上，有利于減振。

由圖3可以看出，在嚙合頻率為中心頻率的兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的邊帶簇，調(diào)制頻率的頻距為軸頻，其邊帶寬度為。由于以頻譜為依據(jù)很難區(qū)分調(diào)制與調(diào)頻，為此只研究調(diào)頻就足夠了。

軸轉(zhuǎn)頻對嚙輪嚙合頻率的調(diào)制，使得嚙合頻率處的振動(dòng)能量向兩側(cè)較寬的邊帶內(nèi)擴(kuò)展，從而降低了齒輪振動(dòng)的量級。圖3a所示為1#齒輪的振動(dòng)譜，它的一階嚙合頻率為4150Hz，兩側(cè)的邊帶頻率為軸頻對嚙合頻率的調(diào)制頻率。圖3b為軸轉(zhuǎn)頻對嚙合頻率調(diào)制的另一例。圖中1265Hz為2#齒輪系統(tǒng)48齒齒輪的嚙合頻率，其調(diào)制頻率的邊帶為m(25±3)Hz。2#齒輪的邊帶振動(dòng)級較高，說明調(diào)制頻率的邊帶能量相對大一些。從圖3c齒輪噪聲譜也可以看出軸頻對齒輪嚙合頻率的調(diào)制現(xiàn)象，分別表示了1114Hz和16Hz軸頻對齒輪嚙合頻率741Hz和448Hz的調(diào)制影響。在741Hz中心頻率處的邊帶簇較寬，在448Hz中心頻率處邊帶族較窄，表明嚙合頻率高時(shí)，調(diào)制頻率邊帶分布的能量較多;而在較低嚙合頻率處，調(diào)制頻率的邊帶族較窄，因而分布的能量較少。但嚙合頻率的振動(dòng)級很高是主要的振動(dòng)噪聲能量攜帶區(qū)域。齒輪軸頻對嚙合頻率的影響列于表1中。

根據(jù)眾多試驗(yàn)觀測表明，轉(zhuǎn)速與總聲級存在明顯關(guān)系。

由表2可以看出，轉(zhuǎn)速從1440升到3380時(shí)，各個(gè)測點(diǎn)上所測齒輪振動(dòng)的總聲級大多數(shù)呈明顯上升趨勢。轉(zhuǎn)速越高，噪聲級就越高，在3個(gè)測點(diǎn)上所反映的實(shí)測結(jié)果是一致的，表示了嚙合振動(dòng)所做的貢獻(xiàn)。

齒輪本體的軸向、徑向振動(dòng)，齒輪的嚙合振動(dòng)，由于齒輪的缺陷在周期性沖擊力作用下會產(chǎn)生基頻的振動(dòng)。二次諧頻、三次諧頻或更高諧頻的振動(dòng)，即會出現(xiàn)n倍基頻的振動(dòng)(其中n=1，2，3，……)稱之為倍頻特性。

齒輪的齒形、齒面精確加工精心裝配，減小齒面缺陷可以大大減小齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)沖擊。此外齒的形狀，齒輪輪齒的排列、優(yōu)化都能大幅度降低齒輪噪聲。如直齒改為斜齒，或采用非對稱齒形。根據(jù)嚙合時(shí)的沖擊振動(dòng)除了受到壓力角影響之外，主要與齒數(shù)有關(guān)。增加齒輪齒數(shù)可采用雙模數(shù)不對稱的漸開線齒形。齒數(shù)增加可使沖擊幅值下降，但應(yīng)注意齒輪的加工精度。據(jù)研究該法可使噪聲下降3dB左右。

對振動(dòng)與噪聲的控制除了在設(shè)計(jì)與制造時(shí)優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒形、重合系數(shù)、壓力角等外，可以在齒輪輪體以及支承系統(tǒng)采用隔振措施。如在齒輪端面附加一個(gè)阻尼環(huán)或鑲嵌高阻尼材料以便吸收齒輪的嚙合振動(dòng)能量，以減少齒輪輻射聲。與此同時(shí)，可在齒輪軸系端部及軸承部位接裝適當(dāng)?shù)臏p振裝置，如套在軸頭部位的阻尼減振套(墊)。

如采用高阻尼鋁合金的齒輪箱總振動(dòng)級比普通鋁合金箱體下降3～4dB，采用高阻尼鋁鋅合金，總振動(dòng)級下降5dB左右。

齒輪潤滑時(shí)，一般情況下，齒輪系統(tǒng)部分置于油液中，在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，油液由嚙入方向進(jìn)入兩嚙合齒的空間，從而使油液滯留于齒間。當(dāng)齒間容積減小并又逐漸增大時(shí)，液壓由小變大再減小，從而產(chǎn)生液壓脈動(dòng)現(xiàn)象。在壓力變化過程中，由于每一個(gè)循環(huán)的后期載荷突然減小，而呈現(xiàn)“階躍”式變化，因而造成輪齒的沖擊而使齒輪輻射出噪聲。同時(shí)在卸載時(shí)，因壓力突降，在油液中的氣泡迅速擴(kuò)張，形成的空泡爆裂，對輪齒也產(chǎn)生沖擊，針對此種噪聲，改善潤滑方法是有效的，可使滑油由嚙出方向進(jìn)入輪齒進(jìn)行潤滑而不從嚙入方向進(jìn)油，這可大大改善齒輪的振動(dòng)與噪聲。

結(jié)論

齒輪的振動(dòng)噪聲主要來源于齒的缺陷、磨損以及安裝偏差、加工誤差等，因此提高加工、安裝精度，選用適當(dāng)齒形可降低噪聲。齒輪缺陷、磨損等運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡及嚙合頻率、機(jī)械振動(dòng)頻率與軸轉(zhuǎn)頻缺陷等對齒輪嚙合振動(dòng)的振幅和頻率產(chǎn)生的調(diào)制是普遍存在的。采用隔振方法降噪是一種行之有效的方法。